| 研究課題/領域番号 |
21K18675
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分18:材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
尾方 成信 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (20273584)
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| 研究分担者 |
新里 秀平 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (10853202)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2021年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)
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| キーワード | 疲労寿命 / ナノ材料 / 変形素過程 / 理論予測 / 原子論 / 破壊 / 疲労 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
疲労とは材料が降伏応力以下の繰り返し応力下で破壊に至る現象である。マクロ材料が対象の従来理論に基づくと、ナノ材料は疲労しないことになる。しかし最新の研究で、ナノ材料も疲労破壊し、そのメカニズムがマクロ材料とは全く異なることが示唆されている。本研究では、ナノ材料の疲労を首尾良く記述する理論を確立し、ナノ材料がどのような条件で疲労破壊するのか、いつ疲労破壊に至るのかを理論予測することを目的とする。
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| 研究実績の概要 |
これまでにナノ材料では欠陥生成の熱活性化過程が繰り返し負荷下での破壊の発端となるとの仮説のもと、簡便な疲労破壊開始までの時間を予測する式を導出しているが、その仮説が様々なナノ材料において正しくかつ有効であるのかは不明である。そこで本課題ではこれまで、金属結合と共有結合という全く異なる結合状態を有し異なる延性を発現する金属ナノピラーとグラフェンシートを対象とし、これらに初期き裂を導入したモデルに対して、分子動力学法および加速分子動力学法を適用し、繰り返し負荷下における欠陥の時間発展解析を実施した。このとき、繰り返し負荷振動数、温度、応力振幅を変化させた。その結果、金属ナノピラーでは初期き裂からの転位生成、グラフェンシートでは初期き裂の進展が見られ、き裂発生までの時間はともに温度、応力振幅の上昇に伴って急速に短くなることが示され、結合様式に依らず疲労の素過程を熱活性過程として扱うことが妥当であることが示された。これにより予測式の理論的背景の正しさが確認できた。その後、繰り返し負荷をナノピラー、グラフェンシートが完全に破断するまで継続して与え、疲労破壊（破断）までのプロセスと時間を求めた。当該年度において、その結果を詳細に検討したところ、破断までのプロセスが多段の熱活性化プロセスとなっているため、単一プロセスを仮定していた従来の理論式では、破談までの時間（寿命）を正確に予測できないことが判明した。この問題を解決するために、多段熱活性化プロセスを考慮した理論予測式を新たに構築した。構築した理論予測式を用いて予測したグラフェンシートの破断までの時間を、分子動力学法の解析結果と比較したところ良い一致を示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
昨年度末に立てた目標である「破断までに発生する疲労素過程をすべて抽出し、それぞれが発生するまでの時間を予測する式を構築し、破断までの時間、すなわち疲労寿命予測達成にむけて研究を推進させる。」を完全に達成している。一方、共同研究であるナノ疲労試験はまだ実施中である。
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| 今後の研究の推進方策 |
ナノ疲労実験を推進して完了させ、理論予測式と比較する。
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